第四章 物质循环

第四章物质循环Chapter4Materialcycle

10/16/20231山东农业大学精品课程一、物质流的重要性及其特点二、物质循环的基本概念三、农业生态系统中的主要物质循环四、生态系统中的环境污染问题五、农业生态系统物质循环的调控原则10/16/20232山东农业大学精品课程（三）物质元素的分类1.能量元素2.大量元素3.微量元素一.物质流的重要性及其特点（一）重要性1.形成生物体的必需原料2.生物进行生理生化活动的基础3.能量流动的载体（二）特点1.物质是循环的2.物质是多种多样的3.物质是由元素组成10/16/20233山东农业大学精品课程（一）生物地球化学循环是物质循环的基本形式生物地球化学循环：地球上的各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下，在不同层次的生态系统内，乃至整个生物圈里，沿着特定的途径从环境到生物体，再从生物体到环境，不断地进行流动和循环，就构成了生物地球化学循环，简称生物地化循环。1.地质大循环：时间长、范围广，是闭合式循环2.生物小循环：时间短、范围小，是开放式循环二.物质循环的基本概念10/16/20234山东农业大学精品课程与生命活动相关联的物质循环10/16/20235山东农业大学精品课程（二）物质循环的库与循环类型容积大，物质交换活动缓慢，一般为非生物的环境库气体型循环沉积型循环1.储存库2.交换库容积较小，与外界物质交换活跃，一般为生物成分（三）周转率和周转期1.周转率R=Fi/S=Fo/S2.周转期T=1/R10/16/20236山东农业大学精品课程三.农业生态系统中的主要物质循环（一）农业生态系统物质循环的一般模式植物库M.J.Frisse,1976年燃烧呼吸收获吸收种子幼苗动物库饲料等土壤库遗留、种子生物固氮吸收流失淋溶挥发呼吸饲料垫土残体排泄物产品呼吸氨化肥料灌溉10/16/20237山东农业大学精品课程1.应具体分析各种库的内容和作用2.物质在库之间的转移沿一定的路径进行，不同生产条件下的路径数量不同，应具体问题具体分析。3.农业生态系统是一物质输入量和输出量较大的开放系统。4.不同物质或元素的循环各具特点，在各种库之间完成一次循环所需时间、经历过程不同。5.各种物质的循环、平衡状况可以定量研究。模式说明10/16/20238山东农业大学精品课程1.地质大循环或生物圈循环(1)陆地植物大气海洋之间的自然交换基本平衡。

海洋与大气之间每年约有1000亿吨的交换量；陆地与大气之间每年约有200～300亿吨的交换量。(2)化石燃料贮存的碳素入不付出。死亡有机物转化成化石燃料的碳素小于10亿吨，人们开采的化石燃料大于50亿吨。(3)大气中的二氧化碳浓度增加。

1860～1960的100年，大气CO2浓度由290ppm上升到314ppm

。1960年以来，以平均每年1ppm的速度增加。（二）碳循环10/16/20239山东农业大学精品课程碳循环

10/16/202310山东农业大学精品课程碳循环

碳循环在生态系统物质循环中具有特殊重要的作用。每年海洋中浮游植物和陆生植物通过光合作用将大量的无机碳转化成为有机碳，在全球范围的食物网中流动。10/16/202311山东农业大学精品课程10/16/202312山东农业大学精品课程大气

700陆地植物

450浮游植物

5浮游动物

<5陆地动物死亡有机物3000死亡有机物700煤和石油

10000海洋

100100海洋表层500同化作用402020202525深海345004540水分交换355同化作用呼吸作用净25沉积物20000000<1开采5土壤呼吸25生物圈的碳素循环

10亿t/a10/16/202313山东农业大学精品课程2.农业生态系统的碳素循环植物土壤有机物残体

微生物动物燃烧光合作用其他输入饲料、燃料、肥料呼吸、产品移出系统农业生态系统碳循环模式10/16/202314山东农业大学精品课程10/16/202315山东农业大学精品课程Thecarboncycle(1015g/a)10/16/202316山东农业大学精品课程10/16/202317山东农业大学精品课程10/16/202318山东农业大学精品课程10/16/202319山东农业大学精品课程碳的生物循环

在碳的生物循环中，大气中的CO2被植物吸收后，通过光合作用转变成有机物质，然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为CO2而进入大气。碳的生物循环包括了碳在动、植物及环境之间的迁移。10/16/202320山东农业大学精品课程假说约100年前，阿伦尼乌斯（SvanteArrhenius）提出了大气中CO2丰度的变化会影响地表温度的假说。据他估计，CO2浓度加倍会使全球增温约9摄氏度。对全球气候的影响

地球要保持恒定的温度，它向外的辐射必须同它吸收太阳的辐射大致平衡。美国科学家Hensen运用数学模式研究了1880～1980这100年间温度与大气中CO2浓度的关系。在图中，蓝色代表这100年间的气温。而黑色则是模拟的计算结果，其中A:仅仅考虑了CO2的影响；B:考虑了CO2和火山气溶胶的共同影响；C:考虑了上述两个因素以及假设的太阳发光度有0.2％的改变。10/16/202321山东农业大学精品课程从图中可以看出计算的结果能很好的吻合温度的变化，表明这一百年间温度上升与二氧化碳的增多有直接联系。根据Hensen的预测，如果现有大气中二氧化碳的浓度增加一倍，则全球的地表平均温度将增加约2.8摄氏度。10/16/202322山东农业大学精品课程对人类社会的影响

对人类社会的影响，其后果可能是复杂的，甚至是极其严重的。对世界水资源的影响

美国科罗拉多河系的主要流域盆地位于北纬40度左右。目前约有85%的降水被蒸发掉，只有15%的降水流入科罗拉多河。若气温上升摄氏几度，降水减少10%～15%，科罗拉多河的平均流量就要减少50%或更多。即使水库大量贮水来补充流量，也才仅仅满足农业灌溉的需要。一些河流的平均流量可能显著增大，从而导致所在地区经常洪水泛滥。而另一些地区的河流，流量会大大减少，又会严重影响农业的灌溉。10/16/202323山东农业大学精品课程对雨灌农业的影响

大气中CO2的增加对大范围的雨灌农业影响很复杂，比灌溉农业的影响更难估计。在高纬度地区，CO2所引起的高温，可以延长作物生长期，这样就有可能扩大雨灌农业区。西南极洲冰源的消退

西南极洲是众所关注的焦点，因为大气中CO2含量增加所引起的全球性变暖有可能使全世界的极地冰川融化。西南极洲海平面以上的冰川面积约200km2。如果这些冰全部进入海洋，海面将升高5～6m，将使荷兰、孟加拉、美国南部的许多沿海城市被海水吞没，还会淹没许多世界上人口密集的河流三角洲地带的大量农田。10/16/202324山东农业大学精品课程“温室效应”下的地球10/16/202325山东农业大学精品课程The‘greenhouseeffect’isatheorywhichproposesthatpollutionbycommonanthropogenic(i.e.createdbyhumans)pollutantssuchasCO2andmethanemayleadtoanincreasedglobaltemperature.Overthelastcentury,CO2concentrationshaverisenandglobalairtemperatureshaveincreasedby0.4-0.7℃,whichsupportsthistheory.TheatmosphereformedaroundtheEarthinsulatestheplanetfromthefulleffectsofheatlossbytrappingheatintheatmosphereusinggreenhousegases,whichincludewatervaporaswellasCO2andotheranthropogenicpollutants.DoublingoftheatmosphericCO2concentrationfromitspresentlevelispredictedtoleadtoafurtherwarmingofaround3.5℃.Thegreenhouseeffect10/16/202326山东农业大学精品课程雪山融化珠穆朗玛10/16/202327山东农业大学精品课程10/16/202328山东农业大学精品课程10/16/202329山东农业大学精品课程10/16/202330山东农业大学精品课程10/16/202331山东农业大学精品课程（三）氮循环1.地质大循环2.农业生态系统氮循环3.调控氮的地质大循环大气氮素硝酸盐大气固氮亚硝酸盐生物固氮动植物蛋白质动植物废物死有机体反硝化作用氧化亚氮硝酸盐还原氨工业固氮10/16/202332山东农业大学精品课程10/16/202333山东农业大学精品课程10/16/202334山东农业大学精品课程氮循环固氮细菌的作用。各类生物通过体内的呼吸与氧化作用来分解蛋白质等，使之转变成NH3再排出体外。这些又可以再次被植物所吸收利用。10/16/202335山东农业大学精品课程10/16/202336山东农业大学精品课程Rhizobium:根瘤菌nitrosomonas:亚硝化菌nitrobacter:硝化菌Pseudomonas:假单胞菌属,极毛杆菌属10/16/202337山东农业大学精品课程Thenitrogencycle(1012g/a)

10/16/202338山东农业大学精品课程Anthropogenic人为的因素10/16/202339山东农业大学精品课程生物圈中的N循环单位106吨(Delwiche,1970）大气3800000

陆地有机体772活有机体12死有机体760非有机体140地壳14000000海洋水（溶解）20000海洋有机体901活有机体1死有机体900非有机体100沉积物4000000陆地海洋总有机体=1673总非有机体=2182024010/16/202340山东农业大学精品课程农业与非农业环境的生物固氮量估计环境类型农业环境非农业环境陆地海洋全球合计豆科作物稻其他草原山地林地未利用土地冰盖面积（106hm2）25013510153000410049001500149003610051000单位面积固氮量（kg/hm2）1403051510201总固氮（106t/a）354545419.80139.836175.810/16/202341山东农业大学精品课程植物残体动物生物固定燃烧工业固定施肥产品微生物土壤淋溶、流失水蚀、风蚀反硝化饲料添加剂农业生态系统N循环模式（自制）大气固定生物固定10/16/202342山东农业大学精品课程农业生态系统中N循环及调控1.输入：三个来源即生物固氮、大气固氮、工业固氮2.输出：有机体燃烧、产品输出、反硝化作用、淋溶流失和挥发3.调控：（1）充分发挥生物固氮的作用（2）发展工业固氮（3）使动、植物残体及排泄物尽量还田（4）控制土壤中N的非生产性消耗10/16/202343山东农业大学精品课程10/16/202344山东农业大学精品课程中国和世界化肥施用量10/16/202345山东农业大学精品课程10/16/202346山东农业大学精品课程10/16/202347山东农业大学精品课程TheeffectsofagricultureonthenitrogencycleDeforestation,andlandclearanceingeneralleadstosubstantialincreasesinnitrogenfluxinstreamflowandN2Olossestotheatmosphere.Theagriculturalpracticeofplantinglegumecrops,withtheirrootnodulescontainingnitrogen-fixingbacteria,contributesfurthertonitrogenfixation.Theproductionofnitrogenousfertilizers(morethan50×106tonsyear-1)isofparticularsignificancebecauseanappreciableproportionoffertilizeraddedtolandfindsitswayintostreamsandlakes,leadingtoeutrophication.10/16/202348山东农业大学精品课程（四）磷循环1.地质大循环海洋陆地生物4.0310沉积物27000000生物63074可开采P矿资源10000每年100～200万t0.61400万吨磷酸盐10万吨磷酸盐地壳8×109G.W.Cox全球磷循环模式（单位1011摩尔）海水4000010/16/202349山东农业大学精品课程磷的循环植物一般只利用H2PO4-形式的磷陆地的异养动物主要依靠摄食植物和其他动物获得其所需要的磷。

10/16/202350山东农业大学精品课程10/16/202351山东农业大学精品课程Thephosphoruscycle(1012g/a)

10/16/202352山东农业大学精品课程PhosphorusCycleBiota生物区10/16/202353山东农业大学精品课程IntrasystemPhosphorusCycleLabile不稳定的Occluded封闭的难溶性的10/16/202354山东农业大学精品课程PhosphorusCycleNosignificantgaseouscomponentMajorterrestrialsourceisweatheringofCa-phosphateminerals(apatite)butthesearenotverysolubleWell-developedintrasystemcyclewithaturnovertimethatcanbe<1minuteLargeanthropogeniceffects10/16/202355山东农业大学精品课程2.农业生态系统中P循环及其调节

在农业生态系统中，P的调节主要是使用P肥，由于工农业生产的发展，世界P肥用量大幅度增长。1955年，全世界消费330万吨，1970年达到810万吨。按含P量8%以上的P矿石计算，全世界约有纯P198亿吨。磷矿石的贮量有限，因此，磷资源的合理利用一直是农业生产中的重要问题。在农业生产中，应注意以下几个方面：（1）开发新的P矿资源。（2）重视多条途径，实现P的再循环，尤其是有机途径。（3）提高肥效，节约P肥，减少流失。（4）注意P肥使用中的环境污染问题。P肥中含有重金属和放射性物质。10/16/202356山东农业大学精品课程Morethan13×106tonsofphosphorusaredispersedannuallyoveragriculturallandasfertilizerandafurther2×106tonsasanadditivetodomesticdetergents.Inmanylakesworldwide,theinputoflargequantitiesofphosphorus(andnitrogen)fromagriculturalrun-offproduceidealconditionsforhighphytoplanktonactivity.Insuchcasesofeutrophication(enrichment),thelakewaterbecomesturbidbecauseofdensepopulationsofphytoplankton(oftenblue-greenspecies)andlargewaterplantsareoutcompeted.Inaddition,decompositionofthelargephytoplanktonbiomassmayleadtolowoxygenconcentrationswhichkillfishandinvertebrates.Effectsoffertilizeruseonthephosphoruscycle10/16/202357山东农业大学精品课程（五）水循环

1.生物圈中的水循环降水99×103降水324×103蒸发62×

103蒸发361×103径流37

×10337×103大气13×103km3陆地生物中水0.6

×103海洋1350×10610/16/202358山东农业大学精品课程10/16/202359山东农业大学精品课程水的循环涉及非生物过程和生物过程从陆地上看，凡是水的循环越活跃的地方，生命的活动就越活跃10/16/202360山东农业大学精品课程地球上总水量分布数量%地表水淡水湖94×1030.009盐湖内海75×1030.008流水0.9×1030.0001地下水土壤水50×1030.005800m地下水3000×1030.31更深地下水3000×1030.31冰川29×1062.15大气13×1030.001海洋1350×10697合计14亿km310/16/202361山东农业大学精品课程项目占%项目占%极地、冰盖、冰山、冰川77.23江河淡水0.003地表～800m深地下水9.86地球矿物0.001800～4000m地下水12.35动植物和人体0.003土壤水0.17大气0.04淡水湖泊0.35合计100（1）地球上咸水多、淡水少。全球水量14亿km3，海洋占97%，淡水占3%。（2）淡水中，固态水多，液态水少，能直接利用的少。淡水中，3/4为固态水，分布在两极的冰川。1/4为液态水，其中多为地下水，地下水中只有1%能为植物根系利用。（3）陆地、大气和海洋中的水形成一个循环系统。10/16/202362山东农业大学精品课程2.农业生态系统水循环农业生态系统

降水径流水地下水种子、有机肥等蒸发蒸腾地表径流产品输出农业生态系统水分循环模式10/16/202363山东农业大学精品课程输入量减少且水质变差降水：基本稳定。但年际间变率大，年内分布不均。由于大气温度升高，二氧化碳浓度增加，降水分布（地区、季节）正发生较大变化，陆地上降水有减少趋势。由于大气污染，酸雨加重。地下水：正过度使用，入不敷出。地下水位下降，开采量大于补给量。地表径流补给地下水量明显减少，渗入土壤的时间、面积均逐渐减少。补给的地下水的水质变差。地表径流水：可利用的地表径流水的量减少，水质变差。农业生态系统水分循环特点10/16/202364山东农业大学精品课程（1）提高产量，用水量增加。作物每形成1kg干物质需要蒸发300～800kg的水。（2）地表径流量增加。三个方面：改变了地表形状，使地表变硬，下渗面积小；增大了河沟某一时期的流量，下渗时间短；森林过度砍伐，固水量减少，径流量增加。（3）其他用水增多。如工业、商业、环境、生活用水等。

水分需求量增加，供给量减少且水质变差。因此，不管我们是否情愿，都将减少用水量，节约用水。输出量增加10/16/202365山东农业大学精品课程水资源总量多，人均资源少：全年降水628mm，2.8×1012m3，世界第6位。每耕亩土地1700m3，相当于世界平均2/3，人均2600m3，相当于世界人均的1/4，列世界第88位，已被列为世界贫水国之一。人均水资源m3大于100005000～100001000～5000小于1000等级上中低很低时间分布不均：50～70%集中在夏季。地区分布不均：南多北少。地区耕地亿人口亿人均耕地亩人均水量m3耕亩水量m3人均灌溉面积亩粮食单产kg粮食总产亿kg南方（中南、华南）6.176.0511500～26001400～23000.8230～2602423北方（华北、东北）4.872.182.41500～1600270～5300.5～1.0100～200833中国水资源及其利用10/16/202366山东农业大学精品课程农业灌溉发展迅速：全国灌溉面积由建国初的2.4亿亩发展到7.2亿亩。不到50%的灌溉面积生产了2/3的粮食。山东省由371万亩（1949年）发展到6700万亩。农业是用水大户：农业用水占全国总用水量的85%，高于美国（48.6%），俄罗斯（59%），意大利（69%），日本（72%）项目总用水量农业用水工业用水城镇生活农村人畜其它数（全国）量（山东）4433330381127529226552.814011.6135